【地学基礎】断層としゅう曲を図解で総まとめ—正断層・逆断層・横ずれ断層と力の向き｜武蔵野個別指導塾

右側が下がった断面図でも正断層とは限りません。方眼の図で上盤を決めてずれを読む例題から、背斜と向斜、接触変成と広域変成の分け方まで、テスト前に通して追えます。

よくあるのは、放課後の図書館の机に問題集を開いて、断層の断面図 2 枚の前で鉛筆が止まる場面です。どちらの図も右側の岩盤が下がっているのに、解答を見ると片方は正断層、もう片方は逆断層と書いてあります。「下がった方が正断層」と覚えてきた人ほど、ここで手が止まります。図の右か左かだけを見て、斜めの線の向きをまだ見ていないからです。

断層の種類を決めるのは、図の左右ではなく、断層面の傾きと上盤の動きです。この単元を終えると、断面図の上盤を指さして種類と力の向きを言えるようになり、地表に並ぶ地層の順番から背斜と向斜を見分け、変成岩をでき方で 2 つに分けられるようになります。

この単元で押さえること

• 断層: 岩盤が割れ、割れ目の面に沿ってずれた構造です。ずれ方によって正断層・逆断層・横ずれ断層に分けます。
• 上盤と下盤: 傾いた断層面の上に乗っている岩盤が上盤、下で受けている岩盤が下盤です。図の左右や高さでは決まりません。
• 力の向き: 水平に引っ張られると正断層、水平に押されると逆断層ができます。横ずれ断層は、断層面に対して斜めの向きから押され、水平にずれたものです。
• 活断層: 第四紀の中でも最近の時代に繰り返し動き、これからも動く可能性がある断層です。
• しゅう曲: 地層が割れずに波のように曲がった構造です。山形の部分が背斜、谷形の部分が向斜で、判定には地層の新旧を使います。
• 変成作用: 岩石が固体のまま高い温度や圧力で別の岩石に変わることです。接触変成岩と広域変成岩に分けます。

地震の単元で「断層が動く」の一言で済ませていた現象を、ここでは岩盤に残った形として見直します。次の火山とマグマの単元は、接触変成作用の熱源の話へつながります。

基本の考え方

断層は岩盤が割れてずれたもの

板チョコを両手で曲げると、ある線でぱきっと割れます。岩盤も、力がかかり続けて耐えきれなくなると割れ、割れ目の両側がずれます。これが断層で、割れた面を断層面と呼びます。地震は、このずれが地下で急に起こったときの揺れです。

断層面は傾いていることが多く、傾いた面があると「面の上に乗っている側」と「面の下で受けている側」を区別できます。図書館の机で、斜めに立てかけた本にもう 1 冊を乗せた形を思い浮かべてください。乗っている本に当たるのが上盤、下で支えている本に当たるのが下盤です。上下にずれる断層の種類は、この上盤がどちらへ動いたかで決まります。

図1のように、断層には 3 つの種類があります。

• 正断層: 水平に引っ張られ、上盤が断層面に沿ってずり下がります。全体の幅は伸びます。
• 逆断層: 水平に押され、上盤が断層面に沿ってのし上がります。全体の幅は縮みます。
• 横ずれ断層: 断層面に対して斜めの向きから押され、岩盤が水平にずれます。断層面がほぼ垂直のものが多く、上盤と下盤の区別は使いません。

「正と逆のどちらが引っ張りか」で迷ったら、暗記に頼らず幅で確かめられます。引っ張れば全体の幅は広がるはずで、上盤がずり下がると断層面に沿って離れるので幅が広がります。押せば幅は狭くなるはずで、上盤がのし上がると重なった分だけ幅が狭くなります。図1の左と中央は同じ幅の岩盤をずらして描いてあるので、岩盤の右端の位置を見比べると違いが見えます。

横ずれ断層には向きの呼び方があります。断層の手前に立って向こう側を見たとき、向こう側の岩盤が右へ動いていれば右横ずれ断層、左へ動いていれば左横ずれ断層です。図1の右は右横ずれで、断層の左右どちらの側に立っても、向こう側は右へ動いて見えます。立つ側を変えても名前が変わらないので、上から見た図だけで判定できます。

この 3 種類はプレートの動きとよく対応します。海嶺の中央の谷のように岩盤が引き離される場所には正断層が、海溝沿いや大陸どうしが衝突する場所には逆断層ができ、トランスフォーム断層は横ずれ断層そのものです。日本列島の東北地方では内陸に東西方向の押す力がかかり、南北にのびる逆断層が多く見られます。

第四紀の中でも特に最近の、およそ数十万年のあいだに繰り返し動いた跡があり、これからも動く可能性がある断層を活断層と呼びます。どこまでを「最近」とするかは資料によって幅があるので、テストでは教科書の言い方に合わせてください。活動の間隔は千年から数万年と長いものが多く、静かな期間が長いからといって安全とは言えません。1995 年の兵庫県南部地震では、淡路島の野島断層が地表にずれを現しました。地形の上では、崖が一直線に続く場所や、川や尾根が同じ向きに折れ曲がる場所が活断層の手がかりになります。

しゅう曲は割れずに曲がったもの

粘土の板を両側から押すと、割れずに波打ちます。地層も、水平に押す力が長い時間をかけてかかると、割れずに波のように曲がることがあります。これがしゅう曲（褶曲）です。地下の深いところは温度と圧力が高く、岩石がゆっくり変形しやすくなります。そのため同じ押す力でも、地表近くでは断層に、地下深くではしゅう曲になりやすいと整理できます。

曲がった地層のうち、山のように上に凸の部分を背斜、谷のように下に凸の部分を向斜と呼びます。曲がりの中心を地層に沿ってたどった線が背斜軸と向斜軸です。大きさは手のひらに乗るものから山脈の規模までさまざまで、ヒマラヤ山脈のように大陸どうしの衝突で生じた山脈には、しゅう曲と逆断層が重なっています。

判定の鍵は地層の新旧です。逆転していない地層は下ほど古いので、背斜では中心に近いほど古く、向斜では中心に近いほど新しくなります。地表が侵食で平らに削られると、背斜の中心には古い地層が、向斜の中心には新しい地層が顔を出します。この読み方は例題の図3で確かめます。

変成作用は固体のまま岩石が変わること

粘土を窯で焼くと、融けないまま硬い焼き物に変わります。岩石も、できたときとは違う高い温度や圧力のもとに置かれると、融けないまま鉱物の組み合わせや組織が変わります。これが変成作用で、鉱物が固体のままつくり変わることを再結晶といいます。できた岩石が変成岩です。融けてしまえばそれはマグマで、冷え固まれば火成岩になるので、変成岩とは別物です。

変成作用は起こる場所で 2 つに分けます。接触変成作用は、地層にマグマが入り込み、その熱でまわりの岩石が変わる作用です。変わる範囲はマグマのまわり、およそ数 km 以内に限られます。泥岩や砂岩は硬く緻密なホルンフェルスに、石灰岩は方解石の粗い結晶が集まった結晶質石灰岩（大理石）になります。熱が主な原因で一方向の力がかからないため、鉱物の向きはそろいません。

広域変成作用は、プレートが沈み込む場所や大陸が衝突する場所の地下で、高い温度と圧力を受けて起こる作用です。長さがおよそ数百 km に及ぶ帯状の広い範囲に変成岩ができます。押す力のもとで鉱物が一定の向きに並ぶので、薄く板状にはがれやすい片理をもつ結晶片岩や、より高い温度で有色鉱物と無色鉱物が縞をつくる片麻岩ができます。

例題で解き方を確かめる

例題1 断層の種類を説明文から見分ける

次の (1)〜(3) に当たる断層の名前を答えなさい。

• 1. 水平に押され、上盤が断層面に沿ってのし上がった。
• (2) 水平に引っ張られ、上盤が断層面に沿ってずり下がった。
• (3) 上から見ると断層の両側が水平にずれ、どちらの側に立っても向こう側は左へ動いて見えた。

解き方は次のとおりです。

1. ずれが水平か上下かを先に見ます。横ずれ断層には上盤の話を持ち込まないので、最初に分けると迷いが減ります。(3) は水平のずれで、向こう側が左へ動くので左横ずれ断層です。
2. 残りは上盤の動きで決めます。断層の名前は上盤がどちらへ動いたかで決まっているからです。(1) は上がったので逆断層、(2) は下がったので正断層です。
3. 力の向きと矛盾しないかを幅で確かめます。押されれば幅は縮み、引っ張られれば幅は伸びるはずで、(1) と (2) はどちらも合っています。

答え: (1) 逆断層、(2) 正断層、(3) 左横ずれ断層

例題2 方眼の断面図からずれを読む

図2は、ある崖の断面を方眼に写したものです。1 目盛は 1 m、赤い線が断層面で、傾きは 45° です。地表は侵食で平らになっています。凝灰岩の層の上面は、岩盤 A では深さ 2 m、岩盤 B では深さ 6 m にあります。

1. 上盤は A と B のどちらですか。(2) 断層の種類と、働いた力の向きを答えなさい。(3) 上下のずれの大きさと、水平方向の長さの変化を答えなさい。

解き方は次のとおりです。

1. 赤い線の傾きを見て上盤を決めます。種類の定義が上盤の動きなので、ここを飛ばすと後の判断がすべて当て推量になります。線は左上から右下へ下がっていて、線の上に乗っているのは B なので、上盤は B です。
2. 同じ地層を左右でたどって高さの差を読みます。離れた場所でも同じ層だと見分けられる目印として、火山灰が固まった凝灰岩を使います。差は 6 − 2 = 4 m で、上盤の B の方が 4 m 低くなっています。
3. 上盤の動きから種類と力を決めます。上盤が下がったので正断層で、働いた力は水平に引っ張る向きです。
4. 水平方向の変化を計算し、方眼でも確かめます。傾きが 45° なら直角二等辺三角形になるので、上下に 4 m ずれれば水平にも 4 m ずれます。方眼でも、凝灰岩の上面が断層面で切れる位置は A 側が距離 5 m、B 側が距離 9 m で、差は 4 m です。ずれる前は同じ位置でつながっていた層が離れたので、水平方向に 4 m 伸びたことになります。断層面に沿って動いた長さは 4 × √2 ≒ 5.7 m です。

答え: (1) B、(2) 正断層・水平に引っ張る力、(3) 上下のずれ 4 m、水平方向に 4 m 伸びた

例題3 しゅう曲の地表の並びを読む

図3は、しゅう曲した地層の断面図です。地層は P、Q、R、S の順に堆積し、逆転はしていません。太い線が今の地表面で、点線は侵食で削られた部分です。

1. 左の背斜の軸と向斜の軸が地表面と交わる場所に現れている地層を、それぞれ答えなさい。(2) 別の地域で、地表を西から東へ歩くと V、U、T、U、V の順に地層が現れました。T が最も古く V が最も新しく、逆転はありません。中央の T を通る構造は背斜と向斜のどちらですか。

解き方は次のとおりです。

1. 軸の点線と地表面の交わる点を図で読みます。地表で見えているのは削られた後の切り口なので、交点にある層がそのまま答えになります。背斜の軸では Q、向斜の軸では S です。
2. 中心の地層と両側の地層の新旧を比べます。背斜では中心の Q が両側の R より古く、向斜では中心の S が両側の R より新しくなっています。山形の地層を水平に削ると内側の下の層が顔を出し、谷形の地層を削ると内側の上の層が残るためです。
3. この規則を別の地域に当てはめます。T は両側の U や V より古いので、中心が古い構造、つまり背斜です。地表の高さの情報は使いません。

答え: (1) 背斜の軸は Q、向斜の軸は S、(2) 背斜

例題4 変成岩のでき方を説明する

花こう岩の岩体を泥岩の地層が取り巻いている地域があります。花こう岩に接する近くの泥岩だけが硬く緻密な岩石に変わり、鉱物の向きはそろっていませんでした。この岩石の名前とでき方を述べ、片理をもつ結晶片岩のでき方との違いを説明しなさい。

解き方は次のとおりです。

1. 文章から手がかりを拾います。変わった範囲が花こう岩の近くに限られ、鉱物の向きがそろっていないので、熱が主な原因だとわかります。
2. 岩石名を決めます。泥岩が接触変成作用を受けてできる岩石なので、ホルンフェルスです。
3. 答案を「原因、変化、結果」の順に組み立てます。説明の要点は原因と、融けていないという点の 2 つだからです。マグマの熱で、泥岩が固体のまま再結晶したと書きます。
4. 比べる相手の原因と範囲を並べます。違いを問われたら、片方の説明だけで終えず、両方を同じ観点でそろえて書きます。結晶片岩は広い範囲で高い温度と圧力を受け、力の向きに応じて鉱物が並びます。

答え: ホルンフェルス。貫入したマグマの熱で泥岩が融けずに再結晶してできた。結晶片岩はプレートの収束する場所の広い範囲で高い温度と圧力を受けてでき、鉱物の向きがそろう点が違う。

まちがえやすいところと直し方

図で高い位置にある方を上盤と書く

誤った書き方: 「断面図で高い位置にある岩盤が上盤です。」

どこが違うか: 上盤は高さの名前ではなく、断層面との位置関係の名前です。正断層では上盤がずり下がるので、同じ地層で比べると上盤の方が低い位置にきます。図2の B は凝灰岩が A より 4 m 低いのに、上盤です。冒頭で触れた「右が下がった 2 枚の図」も、断層面の傾きが逆なら、右の岩盤が上盤のときは正断層、下盤のときは逆断層になります。

正しい書き方: 「断層面の上に乗っている岩盤が上盤です。」鉛筆で断層面をなぞり、鉛筆の上側にある岩盤を指してから種類を考えます。

背斜は山、向斜は谷と書く

誤った書き方: 「背斜は山の地形で、向斜は谷の地形です。」

どこが違うか: 背斜と向斜は地層の曲がり方の名前で、今の地形の名前ではありません。図3では地表面が平らでも、地下の地層には背斜と向斜があります。背斜の頂上付近は引き伸ばされて割れ目ができ、削られやすいので、背斜の場所が谷になることもあります。

正しい書き方: 「背斜は地層が上に凸に曲がった部分で、中心に古い地層が現れます。向斜は下に凸に曲がった部分で、中心に新しい地層が現れます。」

変成岩をマグマが固まった岩石と書く

誤った書き方: 「変成岩は、マグマの熱で融けた岩石が固まったものです。」

どこが違うか: 融けて固まれば火成岩です。変成岩は融けずに固体のまま再結晶した岩石です。さらに、図4のように、マグマの熱が主な原因なのは接触変成作用だけで、広域変成作用はプレートの収束する場所の高い温度と圧力によるものです。図4は模式図で、左右の縮尺はそろえていません。

正しい書き方: 「変成岩は、すでにある岩石が固体のまま高い温度や圧力で再結晶した岩石です。マグマのまわりの狭い範囲にできるのが接触変成岩、プレートの収束する場所の広い範囲にできるのが広域変成岩です。」

用語のまとめ

練習問題

練習1: 次の場所に多い断層の種類を答えなさい。(1) 海嶺の中央の谷の両側、(2) 東北地方の内陸で南北にのびる山地のふもと、(3) 海嶺と海嶺をつなぐトランスフォーム断層。

練習2: 断層面の傾きが 30° の逆断層で、上盤が断層面に沿って 10 m 動きました。上下のずれの大きさと、水平方向の長さの変化を答えなさい。√3 ≒ 1.73 とします。

練習3: 地表を東から西へ歩くと、F、G、H、G、F の順に地層が現れました。F が最も古く H が最も新しく、逆転はありません。中央の H を通る構造の名前と、そう判断した理由を答えなさい。

練習4: 次の岩石を接触変成岩と広域変成岩に分けなさい。結晶片岩、ホルンフェルス、片麻岩、結晶質石灰岩。また、この 4 つのうち、鉱物が一定の向きに並んで薄くはがれやすいつくりをもつ岩石を 1 つ答えなさい。

答えと解説

練習1: (1) 正断層、(2) 逆断層、(3) 横ずれ断層です。海嶺は岩盤が引き離される場所、東北地方の内陸は東西に押される場所で、トランスフォーム断層は両側のプレートが水平にすれ違う場所です。力の向きから順に考えると、名前だけを覚えるより忘れにくくなります。

練習2: 上下のずれは 5 m、水平方向に約 8.7 m 縮みました。斜辺 10 m、角度 30° の直角三角形を考えると、上下は 10 × 1/2 = 5 m、水平は 10 × √3/2 ≒ 8.65 m で約 8.7 m です。逆断層なので幅は縮みます。

練習3: 向斜です。中心の H が両側の G や F より新しいからです。今の地形が平らでも山でも、新旧の並びだけで判定できます。

練習4: 接触変成岩はホルンフェルスと結晶質石灰岩、広域変成岩は結晶片岩と片麻岩です。薄くはがれやすい片理をもつのは結晶片岩です。結晶質石灰岩は広域変成作用でもできることがありますが、テストでは接触変成岩の代表として出されるのがふつうです。

次の単元へのつながりと確かめ方

岩の形から力の向きを読む見方は、次の火山とマグマの単元を経て、日本列島の成り立ちの単元で沈み込みと押す力の話に使います。地層の読み方の単元でも、断層やしゅう曲で乱れた地層の前後関係を読むときに戻ってきます。

家で 5 分でできる確かめ方の 1 つ目は、紙に長方形を描いて斜めに切り、上の紙を断層面に沿って動かして、全体の幅の変化を定規で測ることです。傾きを 45° にすれば、上下に動いた分と幅の変化が等しくなると確かめられます。2 つ目は、色の違うタオルを 3 枚重ねて両側から寄せ、できた山と谷の上半分をノートで隠して、切り口に残る色を見ることです。山の中心では下のタオルの色が、谷の中心では上のタオルの色が見えます。

個別指導では、用語を言えるかどうかの前に、断面図の上で上盤を指してもらうところまで戻って確かめます。指す場所が合っていれば、種類と力の向きは自分で組み立て直せるからです。

まとめ

図の右か左かを手がかりにしているうちは、断面図は解くたびに別の問題に見えます。斜めの線を鉛筆でなぞり、その上に乗っている岩盤が上がったのか下がったのかを問うだけで、2 枚の図は同じ問いに戻ります。地表に並ぶ地層の順番も、変成岩の組織も、かつて働いた力と熱の跡として読めます。岩盤に右も左もありません。あるのは斜めの面と、その上か下か、押されたか引かれたかだけです。